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Article

1 - ACQUISITION DES MESURES

2 - TRAITEMENT DES DONNÉES

3 - APPLICATIONS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J6637 v1

Conclusion
Analyse des gaz rares par spectrométrie de masse statique - Mesures et applications

Auteur(s) : Laurent ZIMMERMANN, David BEKAERT

Date de publication : 10 déc. 2020

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RÉSUMÉ

Cet article présente les modes d'acquisition des signaux des gaz rares en mono- et multi-collection en s'appuyant sur les configurations des spectromètres de masse de dernière génération. Un traitement des données brutes, associé à des corrections d'interférences isobariques, est expliqué pour être en mesure de calculer la concentration et la composition isotopique d'un gaz rare dans un échantillon. Plusieurs applications s'appuyant sur la mesure des compositions élémentaires et isotopiques des gaz rares sont données à titre d'exemples.

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ABSTRACT

Noble gases analysis by static mass spectrometry .Measurements and applications

This article presents the modes of acquisition of noble gas signals in mono- and multi-collection based on the configurations of the latest generation of mass spectrometers. A treatment of the raw data, associated with isobaric interference corrections, is explained to enable calculating a noble gas concentration and isotopic composition in a sample. Several applications based on the measurement of elemental and isotopic compositions of noble gases are given as examples.

Auteur(s)

  • Laurent ZIMMERMANN : Ingénieur d'études - CNRS - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandœuvre lès Nancy, France

  • David BEKAERT : Post-doctorant - Marine Chemistry and Geochemistry Department - Woods Hole Oceanographic Institution - Woods Hole, MA, 02543, États-Unis

INTRODUCTION

Les gaz rares sont des éléments extrêmement volatils concentrés essentiellement dans les réservoirs de surface de la Terre, et particulièrement dans l'atmosphère. Leurs compositions élémentaires et/ou isotopiques, qui ne peuvent pas être affectées par des réactions chimiques ou biologiques, dépendent ainsi de (i) leur composition initiale/héritée (autrement dit, la source), (ii) de contributions secondaires issues de réactions nucléaires (radioactivité, fission, réactions de spallation), et/ou (iii) de fractionnements dépendants de la masse liés à des processus physiques tels que la diffusion, l'évaporation ou la condensation. La géochimie des gaz rares est principalement utilisée comme un outil de datation et de traçage afin de mettre en lumière des processus géologiques autrement impossibles à distinguer. Elle permet par exemple, de bien comprendre les processus physiques lors d’éruptions volcaniques ou encore l’origine de certains fluides, roches ou minéraux. La composition isotopique des gaz rares, bien caractérisée et quantifiée, que ce soit dans l'atmosphère, la croûte terrestre, les sédiments ou le manteau, permet de bien comprendre l’évolution d'un objet géologique au cours du temps et de mettre en évidence des phénomènes de mélanges entre plusieurs réservoirs. Ils apportent enfin des informations sur l'origine et l'évolution des éléments volatils majeurs, tels que l'eau, le carbone, l'azote, dont le traçage est difficile du fait de leur participation à des réactions chimiques et biologiques lors de processus géologiques. Déterminer quand, et sous quelle(s) forme(s) les éléments volatils ont été mis à disposition à la surface de la Terre est crucial pour mieux comprendre :

  • l'évolution de l'atmosphère ;

  • la provenance et le devenir de l'eau sur Terre ;

  • la mise en place de conditions favorables au développement de la vie.

Avant d'être exploité, ce puissant outil de recherche nécessite toutefois, de maîtriser la totalité de la chaîne analytique, à savoir :

  • l'extraction des gaz rares sous ultravide (UHV) pour s'affranchir de toute contamination atmosphérique [J 6 632] ;

  • la purification et la séparation des gaz rares les uns des autres dans des enceintes UHV développées spécifiquement pour répondre aux projets de recherches [J 6 634] [J 6 635] ;

  • l'analyse par spectrométrie de masse statique de la composition élémentaire et isotopique des gaz rares [J 6 636] ;

  • le traitement des données brutes abordé dans cet article.

Cet article, qui vient donc en complément des quatre articles précédemment cités, décrit les modes d'acquisition des signaux en mono- et multicollection et de leurs interpolations. Une méthode est proposée pour calculer une concentration à partir de la sensibilité du spectromètre de masse. L'influence des interférences isobariques est aussi exposée, accompagnée des méthodes de correction ayant été développées pour s'en affranchir. Une méthode de propagation d'erreurs, indispensable à toute exploitation scientifique de résultats analytiques est présentée. Enfin, une liste d'applications, non exhaustive, a été rapportée pour donner aux lecteurs une idée du vaste champ d'applications accessibles à la géochimie des gaz rares.

Un glossaire en fin d'article fournit les principales définitions nécessaires à une bonne compréhension de l'article.

Comme il est d'usage dans la profession, les rapports des symboles chimiques cités dans cet article sont, sauf indication contraire, atomiques, soit en nombre d'atomes pour un échantillon donné.

Principaux sigles

UHV : Ultra High Vacuum (ultravide)

FC : Faraday Cup (cage de Faraday)

CDD : Compact Discrete Dynode (multiplicateur d'électrons à dynodes discrètes)

CFM : Combined Faraday/ion counting CDD Multiplier (détecteur muni à la fois d'une cage de Faraday et d'un multiplicateur d'électrons CDD)

MRP : Mass Resolving Power (puissance de résolution de masse)

MORB : Mid Ocean Ridge Basalt (basalte des dorsales médio-océaniques)

OBI : Oceanic Island Basalt (basalte des îles volcaniques)

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KEYWORDS

dynamic mass spectrometry   |   monocollection   |   multicollection   |   isobaric interference   |   isotopic measurements

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6637


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4. Conclusion

Ce manuscrit complète l'article [J 6 636] dans lequel l'analyse des gaz rares par spectrométrie de masse en mode statique avait été abordée (principe de l'ionisation, séparation des isotopes dans un secteur magnétique et choix des collecteurs). Dans ce deuxième article [J 6 637], il est discuté de l'acquisition des signaux en mono- ou multicollection en mode statique en s'appuyant sur les configurations des analyseurs de dernière génération (e.g. SFT, Argus VI, Helix MC, NGX 600 et Noblesse). Une méthode de calcul, pour déterminer la concentration, la composition isotopique des gaz rares et leurs erreurs associées dans un échantillon, à partir de l'interpolation des signaux enregistrés est proposée. Des méthodes de correction, pour corriger la mesure des gaz rares des interférences isobariques parfois présentes dans les enceintes de purification et/ou les analyseurs, y sont suggérées. Enfin, une liste non exhaustive d'applications liées à la mesure des gaz rares permet d'avoir un aperçu des champs d'applications accessibles.

En parallèle de la spectrométrie de masse statique, l'analyse de rapports isotopiques des gaz rares par spectrométrie de masse dynamique a été développée pour d'autres applications dans lesquelles la quantité de gaz rares disponible pour l'analyse n'est pas le facteur limitant. Elle permet, si les quantités de gaz sont suffisantes, d'atteindre des degrés de précision < 0,01 ‰, soit plus précis de deux ordres de grandeur que les données de spectrométrie de masse statique. Cette technique est par exemple privilégiée pour mesurer la composition isotopique de gaz rares présents dans l'atmosphère, tels que le rapport 40Ar/36Ar ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MARK (D.F.), BARFOD (D.), STUART (F.M.), IMLACH (J.) -   The ARGUS multicollector noble gas mass spectrometer : Performance for 40Ar/39Ar geochronology.  -  Geochemistry Geophysics Geosystems, 10, p. 1-9 (2009).

  • (2) - BAJO (K.), SUMINO (H.), TOYODA (M.), OKAZAKI (R.), OSAWA (T.), ISHIHARA (M.), KATAKUSE (I.), NOTSU (K.), IGARASHI (G.), NAGAO (K.) -   Construction of a newly designed small-size mass spectrometer for helium isotope analysis : Toward the continuous monitoring of 3He/4He ratios in natural fluids.  -  Mass spectrometry, 1, p. 1-10 (2012).

  • (3) - SAXTON (J.M.) -   The 21Ne/20Ne ratio of atmospheric neon.  -  Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 35, p. 943-952 (2020).

  • (4) - MABRY (J.), BURNARD (P.), BLARD (P.H.), ZIMMERMANN (L.) -   Mapping changes in helium sensitivity and peak shape for varying parameters of a Nier-type noble gas ion source.  -  Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 27, p. 1012-1017 (2012).

  • (5) - SANO (Y.), WAKITA (H.), WAKINO (K.), MURATA (M.), YAMAMOTO (H.), MATSUDA (H.) -   Helium...

1 Événements – Conférences

DINGUE (Development In Noble Gas Understanding and Expertise)

Goldsmith

AGU (American Geophysical Union)

EGU (European Geosciences Union)

The Meteoritical Society

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Thermo Fisher Scientific

https://www.thermoscientific.com

Hanna-Kunath-Straße 11

28199 Bremen

Allemagne

Cameca

https://www.cameca.com

29 Quai des Grésillons

92622 GENNEVILLIERS Cedex

France

Isotopx Limited

https://www.isotopx.com

Millbrook court

Midpoint 18

Middlewich

Cheshire

CW10 0GE

United Kingdom

Hamamatsu Photonics France

https://www.hamamatsu.com

19, rue du saule trapu

Parc du moulin de Massy

91300 MASSY

France

ETP...

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